Jacek Słania
Łukasz Kuk
Proces łączenia materiałów
do budowy pojazdów i nadwozi
w przemyśle samochodowym
Process of joining materials to build vehicles
and motor-car bodies in the automotive industry
t p
Przemysł samochodowy jest gałęzią gospodarki, w której prace spawalnicze mają ogromny udział. Obecnie najczęściej do łączenia materiałów wykorzy-stuje się trzy metody [2]:
– spawanie łukowe drutem topliwym w osłonie gazów MIG/MAG,
– spawanie łukowe drutem nietopliwym w osłonie ga-zów TIG,
– spawanie łukiem krytym pod topnikiem SAW. Metody te są używane do łączenia elementów nad-wozi oraz podnad-wozi; przykładowo są to:
– zabudowy samowyładowcze (wywrotki), – zabudowy stałe (cysterny, kontenery), – szkielety nadwozi samonośnych, – kabiny,
– wysięgniki żurawi, – ramy nośne.
Ostatni z wymienionych elementów zostanie podda-ny szczegółowej analizie w niniejszej publikacji [1].
a
tract
A welding process of a frame of a truck was presented. Stresses, which occur in the frames of trucks and the re-quirements of their resistance were described in the follow-ing paper. Moreover, the materials used to build vehicles and motor-car bodies were depicted. A technology of weld-ing frames of vehicles – common equipment, a method of welding, preparation of welding joints and the parameters of welding were given.
eyword welding, welded construction, welding
procedure
Stre zczenie
Przedstawiono spawanie ramy pojazdu ciężarowego. Omówiono naprężenia występujące w ramach pojazdów ciężarowych i wymagania dotyczące ich wytrzymałości. Przedstawiono materiały stosowane do budowy pojazdów i nadwozi. Zaprezentowano technologię spawania ram pojazdowych – stosowane urządzenia, metodę spawania, przygotowanie złączy spawanych oraz parametry spawa-nia.
Słowa kl czowe spawanie, konstrukcja spawana,
plan spawania
Napr żenia i wytrzymało kon tr kc i
Rama nośna jest najważniejszą częścią pojazdu ciężarowego, scalającą elementy podwozia i nad-wozia z elementami układu jezdnego. Spawane po-łączenia znajdujące się w obrębie ramy samochodu ciężarowego poddawane są cyklicznie występującym obciążeniom, które mogą powodować ich uszkodzenia w postaci pęknięć zmęczeniowych. Dlatego jednym z ważniejszych parametrów, jakie powinny charaktery-zować połączenie spawane znajdujące się w obrębie ramy pojazdu, jest jego odpowiednio wysoka wytrzy-małość zmęczeniowa na działanie obciążeń zmien-nych.
Podczas eksploatacji pojazdów ciężarowych w ele-mentach ich ram oraz połączeniach tych elementów, poza zmiennymi siłami, mogą wystąpić znaczne naprę-żenia o charakterze statycznym. Napręnaprę-żenia te mogą wynikać z trudnych warunków ruchu pojazdu ciężaro-wego. W przypadku naczepy samochodowej napręże-nia rozciągające w podłużnicach ramy wynikają z tego, że siła pociągowa przyłożona jest w przedniej części
r a inż acek Słania pro PCz – Politechnika Częstochowska, mgr inż ka z k – Brembo Oddział Częstochowa.
naczepy. Główne źródło oporów ruchu zlokalizowane jest natomiast w miejscu, gdzie znajdują się koła jezd-ne naczepy ciężarowej, czyli w jej tyljezd-nej części. W przy-padku burty załadowczej (często instalowanej w tylnej części samochodu ciężarowego o nadwoziu skrzynio-wym) naprężenia wynikają z unoszenia ułożonego na niej ładunku lub też z podnoszenia burty. W przypadku unoszenia nieobciążonej ładunkiem burty załadowczej naprężenia mogą osiągać wartości poniżej 180 MPa. Producenci pojazdów ciężarowych zalecają spawanie ram wyprodukowanych pojazdów różnymi metodami, głównie nisko- oraz średniotlenowymi.
Miejsca, gdzie zlokalizowane są złącza spawane, stają się obszarami koncentracji naprężeń, czyli tzw.
koncentratorami. Poza występowaniem znacznych
jednostkowych impulsów sił, podczas eksploatacji ram samochodowych występują także siły o mniejszej war-tości. Przykładowy przebieg wartości naprężeń, zareje-strowany na elementach ramy samochodu ciężarowego poruszającego się z prędkością 40 km/h po jezdni wyko-nanej z kostki brukowej, zamieszczono na rysunku 1.
– twardości, – plastyczności, – ciągliwości – spawalności,
– odporności na działanie wysokiej i niskiej temperatury, – odporności na korozję chemiczną i atmosferyczną.
Do budowy ram podwozi samochodowych po-wszechnie stosuje się stal konstrukcyjną o oznaczeniu S355J2G3. W przypadku nadwozi samowyładowczych stosuje się stale Hardox lub Domex wytwarzane przez huty szwedzkiego koncernu SSAB.
Blachy ze stali Domex mają małą zawartość węgla i manganu. Stosuje się w ich przypadku walcowanie ter-momechaniczne z precyzyjnie kontrolowanymi sekwen-cjami podgrzewania, walcowania i chłodzenia. Blachy Do-mex mają granice plastyczności: 240, 355, 420, 460, 500, 550, 600, 650, 700 MPa. Dostępne są również wersje Do-mex z oznaczeniem W (Water Resistant) o zwiększonej odporności na korozję atmosferyczną w gatunkach 350, 550, 700, a także wersja Domex Wear o dużej odporności na ścieranie porównywalnej z dużo twardszymi blachami ulepszanymi cieplnie. Ta wersja stali jest wykorzystywana w elementach szczególnie narażonych na ścieranie przez twarde cząsteczki, np. kamień lub piasek [2].
Stale Hardox są wykorzystywane w zabudowach pracujących w szczególnie trudnych warunkach, np. wywrotki w kamieniołomach. Oprócz niezbędnej odpor-ności na ścieranie jest tu konieczna duża odporność skrzyni ładunkowej na obciążenia udarowe (ważne przy załadunku dużych fragmentów skalnych). Wyko-rzystuje się stale Hardox 400, 450 i 500. Oznaczenia opisują twardość w skali Brinella, np. Hardox 400 ma twardość 370÷430 HB. Granice plastyczności wynoszą odpowiednio 1000, 1200 oraz 1300 MPa [2].
Prezentac a po azd na przykładzie naczepy ci żarowe
Przystępując do omówienia technologii spawania, warto zacząć od zaprezentowania gotowego produktu, w postaci naczepy ciężarowej. Na rysunku 2 przedstawio-no ramę przedstawio-nośną naczepy marki Sommer. Jest to pojazd po pracach spawalniczych, montażowych, lakierniczych oraz kontrolnych, przeznaczony do wykonania zabudowy u innego producenta (producenta nadwozi).
Ry 1 Przebieg naprężeń zarejestrowany w elementach ramy
sa-mochodu ciężarowego poruszającego się z prędkością 40 km/h po jezdni wykonanej z kostki brukowej [1]
ig 1 Process of stress recorded on the elements of a frame of
a motor truck moving with a speed of 40 km/h on the road made of Belgian blocks [1]
Równocześnie spawane połączenia znajdujące się w obrębie ramy samochodu ciężarowego poddawane są cyklicznie występującym naprężeniom, które mogą powodować ich uszkodzenia w postaci pęknięć zmę-czeniowych. Dlatego jedną z ważniejszych cech, jaką powinno charakteryzować się połączenie spawane znajdujące się w obrębie ramy pojazdu, jest jego odpo-wiednio wysoka wytrzymałość zmęczeniowa.
W warunkach warsztatowych ważnymi metodami spawania są: spawanie elektryczne elektrodami za-sadowymi oraz spawanie elektrodą topliwą w osłonie gazu aktywnego (MAG). Są one zalecane również jako metody napraw spawalniczych przez producentów po-jazdów ciężarowych [2].
ateriały to owane do dowy po azd w i nadwozi Obecnie w przemyśle samochodowym stosuje się stale niskostopowe o maksymalnej zawartości węgla do 0,22%, stale ogólnego przeznaczenia, stale kon-strukcyjne oraz stopy aluminium.
Wszystkie wyżej wymienione materiały muszą speł-niać określone wymagania dotyczące:
– wytrzymałości na rozciąganie, – sprężystości,
Każda z wyprodukowanych naczep musi speł-niać określone wymagania. Jednym z podstawo-wych jest jej przeznaczenie. Naczepa może służyć do transportu kruszyw, płynów, drewna, zwierząt, artykułów spożywczych czy chociażby kontenerów.
Ry 3 Rama naczepy Wielton NS34PT – wymiary ig 3 Frame of a Wielton NS34PT semitrailer – dimensions
Rysunek poglądowy ramy naczepy Przykład produktu Wielton model NS34PT
Typ NS34 Oznaczenie handlowe NS34PT /20/ NS34PB /20/ A Długość zewnętrzna mm 7 400 C Szerokość zewnętrzna mm 2 540 G Rozstaw kół mm 2 040/2 100 H Rozstaw osi mm 1 310 K Wysokość siodła mm 1 150 I Wysokość platformy mm 1 380 M Rozstaw: czop – 1 oś mm 3 240
Ogumienie 385/65 R22.5
Dopuszczalna masa całkowita kg 36 000
Masa własna kg 4 050
Nacisk na oś kg 3 x 8 000
Nacisk na siodło kg 12 000
Aby dopasować pojazd pod konkretne przeznacze-nie, rama powinna mieć właściwe wymiary. Przykła-dowy produkt przeznaczony do transportu konte-nerów morskich przedstawiono i zwymiarowano na rysunku 3.
Rama naczepy składa się z dwóch podłużnic po-łączonych belkami poprzecznymi. Zwykle podłużnicę tworzy dwuteownik zespawany z płaskowników o okre-ślonych wymiarach. Kształt i wymiary dwuteownika przedstawiono na rysunku 4.
tec nologia pawania ram po azdowyc
Łączenie ram w warunkach przemysłowych odbywa się w sposób zautomatyzowany. Można do tego celu wykorzystać przykładowo automat spawalniczy firmy ZAKMET model ASB 16000. Urządzenie przedstawio-no na rysunku 5.
Urządzenie ASB 16000 ma możliwość spawania belek nośnych naczep samochodów ciężarowych metodą MAG. Automat jest przystosowany do spa-wania ram o przekroju stałym, jak również o prze-kroju zmiennym. Umożliwia spawanie jednocześnie
Ry 5 Automat spawalniczy ASB 16000 [4] ig 5 An automatic welder ASB 16000 [4]
dwóch belek o długości do 16 m. Spawanie może być prowadzone jednocześnie czterema palnikami, jak na rysunku 6. Dzięki temu naprężenia i odkształ-cenia w spawanych elementach są znacznie redu-kowane.
Każdy uchwyt spawalniczy jest indywidualnie stero-wany w osiach X i Y. Portale zawierają wyłączniki krań-cowe, a palniki złącza antykolizyjne. Urządzenie ASB 16000 składa się z następujących elementów [5]: – stołu z zaciskami mocującymi,
– torowiska jezdnego, – bramy jezdnej,
– 4 portali palników zamocowanych na bramie jezdnej, – szafy sterowniczej,
– magazynu na 4 szt. rolek drutu po 250 kg.
Podłużnice w postaci dwuteowników umieszcza się na stole roboczym.
Ry 6 Spawanie automatem ZAKMET z jednoczesnym
wykorzysta-niem 4 uchwytów spawalniczych [5].
ig 6 Welding by an automatic machine ZAKMET with a usage of
4 welding clamps [5]
Ry 4 Dwuteownik ramy naczepy ciężarowej ig 4 An l-bar of a semitrailer truck frame
Ze względu na masę oraz gabaryty ram stosuje się transport wewnątrzzakładowy z wykorzystaniem suw-nicy jak na rysunku 7.
Ry 7 Podłużnice ramy na stole roboczym automatu spawalniczego [6] ig 7 Frame side members on the working table of a welding
auto-matic machine [6]
Spoiny wykonuje się metodą MAG z powodu: – wyższej wydajności w porównaniu ze spawaniem
elektrodą otuloną; nie występują wtedy przerwy na wymianę elektrody, większy jest też stopień wyko-rzystania drutu spawalniczego – brak wyrzucanych ogarków elektrod,
– uniwersalności metody – pozwala szybko uzyskać stopiwo bez względu na pozycję spawania,
– przydatności do spawania cienkich i średnich ele-mentów stalowych, a także stopów aluminium. W procesie spawania automatem ASB 16000 istot-ne jest również sterowanie. Do obsługi urządzenia wy-starczy jeden operator, który za pomocą pulpitu steruje bramą jezdną, jak na rysunku 8.
Ry 8 Sterowanie bramą jezdną przez operatora [5] ig 8 Operating of a running gate by a machine operator [5]
Układ sterowania składa się z czterech bloków funk-cjonalnych, którymi są [5]:
– mikroprocesorowy blok prowadzenia i utrzymywania zadanej pozycji palników oraz śledzenia wykonanej spoiny,
– mikroprocesorowy blok sterowania bramą jezdną (prędkości przejazdowe, prędkości spawania, prze-jazd sczepiający podłużnicę),
– mikroprocesorowy układ PLC AMK5 z wizualizacją stanu wejść i wyjść, sterujący całością automatu, – blok wyłączenia awaryjnego, obsługujący przyciski:
awaria, wyłączniki krańcowe, złącza antykolizyjne palników, bariery zabezpieczające interfejs do stero-wania źródłem prądu i podajnikiem drutu.
Ry 9 Pulpit sterowniczy urządzenia ASB 16000 ig 9 An operating pulpit of ASB 16000 machine
Pulpit sterowniczy umieszczony jest z lewej strony bramy jezdnej, tak aby dostęp do niego był łatwy, szyb-ki i nie zagrażał bezpieczeństwu osoby obsługującej. Pulpit zaprezentowano na rysunku 9.
Otrzymane w ten sposób spoiny cechują się wysoką jakością oraz powtarzalnością. W warunkach przemy-słowych to bardzo istotne, gdyż seryjna produkcja wy-maga, aby wyroby były jednakowe pod każdym wzglę-dem. Zastosowanie tradycyjnych metod, np. spawania ręcznego, nie zapewnia podobnego efektu. Jednakże można je stosować w pracach naprawczych.
Na rysunkach 10 i 11 zaprezentowano spoinę w przybliżeniu. Na rysunku 10 widać spoinę na suro-wym materiale, a na rysunku 11 na pojeździe przezna-czonym do odbioru przez klienta.
Ry 11 Spoina gotowa do odbioru
ig 11 A view of a weld on a completed vehicle Ry 10 Spoina na surowym materiale [6]
Do przedstawionej technologii opracowano instrukcję spawania (WPS).
WPS INStR C a t C N L IC Na SPa aNIa
Instrukcja technologiczna spawania /01/2012 Jednostka inspekcyjna: akład pawalnictwa
WPS nr: PS/01/2012 Data spawania: 16 06 2012
WPQR nr: Sposób przygotowania i czyszczenia: mec aniczne
Wytwórca: a C Grupa i gatunek materiału: S355 2 3
Nazwiska spawaczy wg wykazu: Grubość materiału (mm): g 10
Metoda spawania: 135 Średnica zewn. rury (mm):
Rodzaj złącza: teowe Pozycja spawania: P
SZCZEGÓŁY PRZYGOTOWANIA DO SPAWANIA
Rysunek złącza Kolejność spawania
SZCZEGÓŁY DOTYCZĄCE SPAWANIA Ścieg Metoda Średnica drutu mm Natężenie prądu A Napięcie łuku V Rodzaj prądu Biegunowość Prędkość podawania drutu m/min Prędkość spawania cm/min 1 135 1,2 150÷160 17,5÷18,0 DC/+ 3,8÷3,9 24÷25 2 135 1,2 145÷155 17,0÷17,5 DC/+ 3,3÷3,4 7,6÷7,8 3 135 1,2 150÷160 17,5÷18,0 DC/+ 3,8÷3,9 24÷25 4 135 1,2 145÷155 17,0÷17,5 DC/+ 3,3÷3,4 7,6÷7,8 Spoiwo ra poiny
Rodzaj: drut, elektroda. dr t Żłobiona i/lub szlifowana –
Klasa wg EN lub PN: PN- N IS 14341 2011 Na podkładce – – drutu: 3Si1
– elektrod: – temperat ra
Oznaczenie wytwórcy: Sa – podgrzewania wstępnego: 200°C
– drutu: a tRod 12 50 – międzyściegowa: 200°C
– elektrod: –
Suszenie (temp./czas): – r ka cieplna
Niewymagana: niewymagana
az/topnik gaz o łon PN- N IS
14175 Wymagana: zgodnie z Instr. OC nr:
Rodzaj: 21
Natężenie przepływu
gazu: - In ormac e dodatkowe
– osłonowego: 12÷15 l/min Brzegi łączonych elementów oczyścić do metalicznego
– formującego: – połysku na szerokości 40 mm.
lektroda wol ramowa – Po każdej warstwie dokładnie usunąć odpryski i wysypki Rodzaj: – żużla przez szlifowanie.
nio ki
Dobór metody spawania ma wpływ na wy-trzymałość i bezpieczeństwo konstrukcji spa-wanych ram samochodowych. Użycie metod spawalniczych niskotlenowych do łączenia elementów ram samochodowych pozwa-la uzyskać stopiwo o wyższej wytrzymałości na rozciąganie, wyższej granicy plastyczno-ści oraz większej wytrzymałoplastyczno-ści zmęczenio-wej. Ponadto stosowanie spawalniczej me-tody niskotlenowej w pracach naprawczych przekłada się na bezpieczną eksploatację pojazdu.
Literat ra
[1] Węgrzyn T., Miros M.: Wytrzymałość złączy spawanych w ramach samochodów ciężarowych. Przegląd Spawalnic-twa 2010, nr 3.
[2] Złoty P.: Transport. Technika Motoryzacyjna. Polskie cza-sopismo dla transportu i warsztatów. 2007, nr 5, s. 20÷25. [3] Praca zbiorowa, Poradnik Inżyniera. Spawalnictwo. T. 2.
Warszawa, WNT 2005.
[4] Strona internetowa: http://www.zakmet.de/?target=nowo-%B6ci. Dostęp: 16.05.2012.
[5] Strona internetowa: http://www.zakmet.de/source/ asb16000.pdf. Dostęp: 16.05.2012.
[6] Strona internetowa: http://www.amk.com.pl/?Produkty-:Automatyzacja_spawania:Spawanie_naczep. Dostęp: 16.05.2012.
[7] Strona internetowa: http://www.kontenery.weldon.pl/pyta-nia-i-odpowiedzi/. Dostęp: 16.05.2012.
